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电池冷板设计挑战

设计电池冷板面临一些挑战，主要是由于需要保持最佳电池温度以实现性能、安全性和使用寿命。

一个关键挑战是在所有电池单元中实现均匀冷却，以防止热不平衡，这可能导致性能下降或失效。电池组内的空间限制通常会限制冷板的尺寸和形状，因此需要高效、紧凑的设计。材料选择也很重要 — 设计人员必须平衡导热性、重量、耐腐蚀性和成本。此外，冷板必须能够承受汽车或航空航天应用中的振动和压力变化，这需要强大的机械完整性。制造复杂性（例如集成微通道以实现更好的传热）增加了成本和设计限制。最后，冷板必须与更广泛的热管理系统（包括泵和热交换器）无缝集成，同时满足监管标准。这些因素使冷板设计成为一项涉及热、机械和系统工程的多学科挑战。 
 

工程解决方案

电池冷板挑战的典型工程解决方案侧重于最大限度地提高热性能，同时最大限度地减少空间和重量。微通道设计通常用于增加表面积和提高传热效率。选择铝或铜等高导电性材料是因为它们能够快速散热。工程师经常采用计算流体动力学 （CFD） 来优化冷却剂流动路径，并确保所有电池单元的温度分布均匀。为了解决空间限制，冷板采用薄而紧凑的几何形状设计，可以紧密集成到电池模块中。防漏密封方法和耐腐蚀涂层提高了耐用性和系统可靠性。此外，冷板通常设计为集成热管理系统的一部分，将泵、传感器和热交换器相结合，以实现精确的温度控制。

ANSYS Discovery CFD 仿真提供快速的交互式工具，可帮助工程师在研发过程的早期探索和验证热和流体设计概念。对于电池冷板，它支持对冷却剂流动和传热进行实时仿真，有助于优化微通道几何形状、流路和材料选择。凭借其直观的界面，工程师可以快速修改设计并立即查看对温度分布和压降的影响。这加快了设计周期，减少了对物理原型的需求。Discovery 还支持多物理场仿真，允许集成热、流体和结构分析。这有助于识别热点、流动不平衡或机械应力等潜在问题，从而实现更稳健、更高效、更具成本效益的热管理系统设计。

 

方法

在本讨论中使用 Ansys Discovery 设置电池冷板仿真涉及几个步骤。这些步骤包括思维导图、产品导图和 Discovery 案例设置。

思维导图：生成建模特征的思维导图，以结构化的方式组织和表示想法、概念或信息。下面的思维导图显示了模拟研究的目标以及为实现目标而提出的问题。每个问题后面都有一个理论、行动和预测来解决每个问题。生成结果时，结果也会添加到每个分支的底部。

 

 

产品地图：生成电池冷板的产品图，以列出和分类产品功能。产品图谱表示与思维导图中的理论/行动相对应的常数因子 （C） 和一些可变因子 （X）。

 

 

Ansys Discovery 仿真设置：设置发现模型以解决思维导图和产品导图所解决的问题和几何图形。以下是稳态计算中使用的冷却液路径的 6 个概念。

 

 

物理 - 材质分配：

• 端板分配了塑料材料。
• 为单元 分配 新的用户定义的材料l
• 冷板和单元壳体被分配了铝材料。
• 冷却液路径分配有液态水材料。

 

 

单元的用户定义材料包括正交各向异性热导率。

 

 

物理 - 固体热学：

• 为电池设置了 60 瓦的总 热源 。
• 外壁设置为对流边界条件，传热系数为 5 W / （m^2 K），自由流温度为 27 C。
• 将自动创建接合触点连接。

 

 

物理 - 流体流动：

• 入口 设置为 冷却液入口，流速为 1 g/s 或 3 g/s，温度为 23 或 27 C。
• 出口设置为表压为 0.0 帕斯卡的流出口。
• 导电无滑移壁是在流固界面处自动生成的。
• 初始流体温度设置为 23 或 27 C。

 

 

物理 - 流体流动：

• 指定了静态/稳态计算类型。
• 指定了层流建模方法。
• 指定了监视器的质量流量加权平均值。
• 指定的停止条件为 0.01。

 

 

 

保真度：

• 网格使用 66% 的全局保真度。
• 0.5 mm 的局部保真度用于流体区曲面网格。

 

 

 

Discovery 模拟结果
 

冷却液流速和冷却液入口温度的影响

将冷却剂入口温度从 23 °C 提高到 27 °C 时，最高温度平均升高 3.4°C。将冷却剂流速从 1 克/秒增加到 3 克/秒，最高温度平均降低 7.5 摄氏度。 将冷却剂入口温度从 23 °C 提高到 27 °C 对压降的影响可以忽略不计。 将冷却剂流速从 1 克/秒增加到 3 克/秒，平均压降增加了 3.3 倍。

 

 

概念
中最高温度和压降之间的权衡 24 次运行的数据以每个概念为一组绘制。
概念的所有四个游程都具有相同的颜色。数据表明，最高温度范围约为 30 至 41 摄氏度。每个概念的平均值如下图所示。概念 E 的最高温度最低;然而，它具有最高的压降之一。概念 B 的压降最低;然而，它是最高温度最高的地区之一。

 

 

外部温度：
在“主”视图中为每个概念绘制了电池外部温度从 27 到 34 摄氏度的轮廓。冷却液入口和出口位置对温度分布的影响是可见的。

 

 

冷却液温度：
在俯视图中绘制了每个概念的冷却液和冷板温度从 27 到 34 摄氏度的轮廓。冷却液入口和出口位置对温度分布的影响是可见的。

 

 

冷却液压力：
在顶视图中为每个概念绘制了从 0 到 37.5 Pascals 的冷却液总压力流线。冷却液路径对压力分布的影响是可见的。

 

 

冷却剂速度：
在顶视图中为每个概念绘制了从 0 到 0.08 m/s 的冷却剂速度矢量。冷却液路径对速度分布的影响是可见的。